Rang e Dale: Farmacologia
Tipo 1 | Canais iônicos ativados por ligantes
▼ Boa parte das variações na sequência que levam à diversidade dos
receptores aparece no nível genômico, ou seja, diferentes genes dão
origem a subtipos distintos de receptor. Uma variação adicional decorre
de um splicing alternativo do mRNA, que significa que um único gene
pode dar origem a mais de uma isoforma de receptor. Depois da tradução
do DNA genômico, o mRNA normalmente contém regiões não
codificantes (íntrons) que são removidas pelo splicing do mRNA antes de
a mensagem ser traduzida em proteína. Dependendo da localização dos
pontos de splicing, este pode resultar na inclusão ou deleção de uma ou
mais regiões codificantes do mRNA, o que origina formas longas ou
curtas da proteína. Essa é uma importante fonte de variação,
particularmente para os GPCR, que produzem receptores com
características de ligação distintas e diferentes mecanismos de transdução
de sinal, embora sua relevância farmacológica ainda esteja por ser
esclarecida. Outro processo que pode produzir receptores diferentes, mas
vindos do mesmo gene, é a edição do mRNA, que envolve a substituição
anômala de uma base no mRNA por outra, e, como tal, potencialmente
uma pequena variação na sequência de aminoácidos do receptor expresso.
Essa heterogeneidade molecular é uma característica de todos os tipos de
receptores – na verdade, das proteínas funcionais em geral. Novos subtipos e
isoformas de receptores continuam sendo descobertos, e atualizações
regulares do catálogo são disponibilizadas (www.guidetopharmacology.org).
Os problemas de classificação, nomenclatura e taxonomia resultantes desse
acúmulo de dados foram mencionados anteriormente.
A seguir, serão descritas as características de cada uma das quatro
superfamílias de receptores.
TIPO 1 | CANAIS IÔNICOS ATIVADOS POR LIGANTES
O receptor nicotínico de acetilcolina, encontrado na junção neuromuscular
esquelética (ver Capítulo 14), nos gânglios autônomos (ver Capítulo 14) e no
cérebro (ver Capítulo 40), é um exemplo típico de um canal iônico controlado
por ligante, conhecido como receptores de Cys-loop (assim chamados por
terem em sua estrutura um grande domínio intracelular entre os domínios
transmembrana 3 e 4 contendo múltiplos resíduos de cistina [ver Figura
3.3A]). Outros deste tipo incluem os receptores GABAA e glicina (ver
Capítulo 39), bem como o receptor 5-hidroxitriptamina tipo 3 (5-HT3; ver
Capítulos 16 e 40). Existem outros tipos de canais iônicos dependentes de
ligantes – sendo eles os receptores ionotrópicos de glutamato (ver Capítulo
39) e receptores purinérgicos P2X (ver Capítulos 17 e 40), que diferem em
vários aspectos dos receptores nicotínicos de acetilcolina (ver Figura 3.5).
Além dos canais iônicos dependentes de ligantes encontrados na membrana
celular que medeiam a transmissão sináptica rápida, também existem canais
iônicos dependentes de ligantes intracelulares – designadamente o inositol
trifosfato (IP3) e os receptores de rianodina (ver Capítulo 4), que liberam Ca2+ das reservas intracelulares.
Estrutura molecular
Os canais iônicos ativados por ligantes têm traços estruturais em comum com
outros canais iônicos, descritos na página 46. O receptor nicotínico da
acetilcolina clonado do raio elétrico Torpedo (Figura 3.4)7 consiste em uma
estrutura pentamérica de diferentes subunidades, das quais existem quatro
tipos, denominados α, β, γ e δ, cada um com peso molecular (M r) de 40 a 58 kDa. As subunidades mostram marcante homologia na sequência, e cada uma
delas contém quatro α-hélices que atravessam a membrana, nela inseridas,
como mostrado na Figura 3.4B. A estrutura pentamérica (α2, β, γ, δ) contém dois pontos de ligação para a acetilcolina, cada um na interface entre uma das
duas subunidades α e sua vizinha. Ambos devem ligar-se a moléculas de
acetilcolina para que o receptor seja ativado. A Figura 3.4B mostra a estrutura
do receptor. Cada subunidade atravessa a membrana quatro vezes, de modo
que o canal compreende não menos de 20 hélices que atravessam a
membrana circundando um poro central.
▼ Uma das hélices transmembrana (M2) de cada uma das cinco
subunidades forma o revestimento do canal iônico (ver Figura 3.4). As
cinco hélices M2 que formam o poro são deformadas para dentro, a meio
caminho da espessura da membrana, formando uma constrição. Quando
as moléculas de acetilcolina se ligam, ocorre uma alteração
conformacional na parte extracelular do receptor que torce as subunidades
α, fazendo com que os segmentos M 2 abaulados se afastem uns dos
outros, promovendo, assim, a abertura do canal. A borda do canal contém
uma série de resíduos aniônicos, o que torna o canal seletivamente
permeável a cátions (inicialmente, NA+ e K+, embora alguns tipos de
receptores nicotínicos também sejam permeáveis ao Ca2+).
O uso de mutagênese direcionada ao local, que permite que pequenas
regiões ou resíduos únicos da sequência de aminoácidos sejam alterados,
mostrou que a mutação de um resíduo crítico na hélice M2 modifica o
canal, passando de permeável para cátions (portanto, excitatório no
contexto da função sináptica) para permeável para ânions (típico de
receptores para transmissores inibitórios, como, por exemplo, GABA e
glicina). Outras mutações afetam propriedades como o mecanismo de
comporta e a dessensibilização de canais controlados por ligantes.
Outros canais iônicos ativados por ligantes, como os receptores do
glutamato (ver Capítulo 39) e os receptores P2X (ver Capítulos 17 e 40),
cujas estruturas são apresentadas na Figura 3.5, têm uma arquitetura
diferente. Os receptores ionotrópicos do glutamato são tetraméricos, e o
poro é constituído a partir de alças, em vez de hélices transmembranares,
em comum com muitos outros canais iônicos (não ativados por ligantes)
(ver Figura 3.20). Os receptores P2X são triméricos e cada subunidade
tem apenas dois domínios transmembranares (North, 2002). O receptor
nicotínico e outros receptores de cistina são pentâmeros com dois locais
de ligação para o agonista em cada receptor. A ligação de uma molécula
agonista aumenta a afinidade de ligação no outro local (cooperação
positiva), e ambos os locais têm de ser ocupados para que o receptor seja
ativado e o canal se abra. Alguns receptores ionotrópicos do glutamato
contêm até quatro locais de ligação ao agonista, e os receptores P2X
contêm três, mas, aparentemente, são abertos quando duas moléculas
agonistas se ligam. Mais uma vez, verificamos que o modelo de ativação
dos receptores apresentados na Figura 2.1 é uma simplificação excessiva,
pois só considera a ligação de uma molécula agonista para se produzir
uma resposta. São necessários outros modelos matemáticos mais
complexos no caso das ligações de duas ou mais moléculas agonistas
(Colquhoun, 2006).
Figura 3.4 Estrutura do receptor nicotínico da acetilcolina (um típico canal iônico
controlado por ligante). A. Diagrama esquemático em visão lateral (acima) e transversal (abaixo). As cinco subunidades do receptor (α , β, γ, δ) formam um agregado que circunda 2 um poro transmembrana central, cujo revestimento é formado pelos segmentos helicoidais M de cada subunidade. Esses segmentos contêm predomínio de aminoácidos carregados 2
negativamente, o que torna o poro seletivo para cátions. Existem dois pontos de ligação para acetilcolina na porção extracelular do receptor, na interface entre a subunidade α e as subunidades adjacentes. Quando ocorre a ligação com a acetilcolina, as α-hélices entortadas se endireitam ou giram e se afastam, abrindo, assim, o poro do canal. B. Imagem de alta resolução que apresenta um esquema revisto dos domínios intracelulares. (Painel [A] com base em Unwin N, 1993. Nicotinic acetylcholine receptor at 9Å resolution. J. Mol. Biol. 229, 1101-1124, e Unwin N, 1995. Acetylcholine receptor channel imaged in the open state. Nature 373, 37-43; painel [B] reproduzido, com autorização, de Unwin N, 2005. Refined structure of the nicotinic acetylcholine receptor at 4Å resolution. J. Mol. Biol. 346(4), 967-989.)
Figura 3.5 Arquitetura molecular dos canais iônicos ativados por ligantes. Os
retângulos vermelhos e azuis representam as α-hélices transmembranares, e os grampos azuis representam as regiões de formação dos poros P loop. Os receptores Cys-loop são pentaméricos. 5-HT , receptor 5-hidroxitriptamina tipo 3; GABA , receptor GABA tipo A; IP R, 3 A 3 receptor do inositol trifosfato; nAChR, receptor nicotínico de acetilcolina; NMDA, receptor N-metil-D-aspartato; P2XR, receptor de purina P2X; RyR, receptor de rianodina.
Mecanismo de comporta
Os receptores desse tipo controlam os eventos sinápticos mais rápidos do
sistema nervoso, nos quais um neurotransmissor age na membrana pós-
sináptica de um nervo ou célula muscular e aumenta, de modo transitório, sua
permeabilidade para certos íons. A maior parte dos neurotransmissores
excitatórios, como a acetilcolina na junção neuromuscular (ver Capítulo 14)
ou o glutamato no sistema nervoso central (ver Capítulo 39), provoca
aumento na permeabilidade ao Na+ e K+ e, em alguns casos, permeabilidade
ao Ca2+. Nas membranas com potencial negativo, esse efeito resulta em uma
corrente de entrada que se deve, principalmente, ao Na+, despolarizando a
célula e aumentando a probabilidade de gerar um potencial de ação. A ação
do transmissor alcança seu pico em uma fração de milissegundo e, em geral,
decai no intervalo de poucos milissegundos. A velocidade abrupta dessa
resposta significa que o acoplamento entre o receptor e o canal iônico é
direto, e a estrutura molecular do complexo receptor-canal (anteriormente)
está de acordo com isso. Em contraste com outras famílias de receptores, não
há etapas bioquímicas intermediárias envolvidas no processo de transdução.
▼ A técnica patch clamp, desenvolvida por Neher e Sakmann, permite a
medição direta da passagem de correntes elétricas diminutas através de
um único canal iônico (Figura 3.6). A técnica patch clamp permite que se
obtenha uma visão, rara na biologia, do comportamento fisiológico em
tempo real das proteínas individuais, e tem disponibilizado novas
perspectivas das reações e das características de permeabilidade tanto dos
canais ativados por ligantes como dos canais dependentes de voltagem. A
magnitude da condutância de um único canal confirma que a permeação
ocorre por um poro físico através da membrana, porque o fluxo de íons é
muito grande (cerca de 107 íons por segundo) para ser compatível com um
mecanismo transportador. A condutância do canal produzida por
diferentes agonistas é a mesma, enquanto o tempo de vida médio do canal
varia. O esquema da interação ligante-receptor apresentado no Capítulo 2
é um modelo útil do sistema de funcionamento do canal iônico. A
conformação R*, representando o estado aberto do canal iônico,
supostamente é a mesma para todos os agonistas, o que explica a
observação de que a condutância do canal não varia. Cineticamente, o
tempo médio de abertura é determinado principalmente pela constante de
velocidade de fechamento, α, e esta varia de um fármaco a outro. Como
explicado no Capítulo 2 (ver Figura 2.1), um agonista de alta eficácia que
ativa uma grande proporção de receptores por ele ocupados é
caracterizado por β/α ≫ 1, enquanto para um fármaco de baixa eficácia,
β/α tem um valor menor.
No caso de alguns canais iônicos operados por ligantes, a situação é mais
complicada, pois agonistas diferentes podem causar a abertura de canais
específicos a um ou mais níveis de condutância distintos (Figura 3.6B).
Isso implica a existência de mais do que uma conformação R*. Para além
disso, a dessensibilização dos canais iônicos operados por ligantes (ver
Capítulo 2) também implica um ou mais estados conformacionais
adicionais induzidos por agonistas. Essas descobertas exigem mais
aperfeiçoamento do modelo simples em que um único estado, R*, é
representado, e são um bom exemplo da forma como o comportamento
atual dos receptores torna nossos modelos teóricos um pouco esgotados.